(57)【要約】【課題】  ＣＣＤ型の固体撮像素子における、水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法を提供する。【解決手段】  半導体基板と、その表面近傍に形成されたウエルと、ウエルに行列状に形成され、信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積領域と、その列に沿って形成され、電荷蓄積領域から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直ＣＣＤと、その端部に結合され、垂直ＣＣＤから転送された信号電荷を行方向に転送する水平ＣＣＤと、その出力端に接続された電荷検出回路とを有する固体撮像素子の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法であって、（ａ）ウエルの電位を第１電位として電荷蓄積領域に光を入射させ、蓄積された第１画像信号を示す信号電荷を垂直ＣＣＤに読み出す工程と、（ｂ）第１画像信号を示す信号電荷を垂直ＣＣＤから電荷蓄積領域の複数分を加算して水平ＣＣＤに転送する工程と、（ｃ）第１画像信号を示す信号電荷のオーバフローを、第２画像信号を示す信号電荷として検出する工程とを有する水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法を提供する。【選択図】          図５
2006352657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の表面近傍に形成された、前記第１導電型とは逆導電型の第２導電型のウエルと、
前記ウエルに行列状に形成され、入射光の光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する複数の前記第１導電型の電荷蓄積領域と、
複数の前記電荷蓄積領域の列に沿って形成され、前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷が読み出され、読み出された前記信号電荷を列方向に転送する垂直ＣＣＤと、
前記垂直ＣＣＤの端部に結合され、前記垂直ＣＣＤから転送された前記信号電荷を行方向に転送する水平ＣＣＤと、
前記水平ＣＣＤの出力端に接続された電荷検出回路と
を有する固体撮像素子の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法であって、
（ａ）前記ウエルの電位を第１の電位として、前記電荷蓄積領域に光を入射させ、蓄積された第１の画像信号を示す信号電荷を、前記垂直ＣＣＤに読み出す工程と、
（ｂ）前記第１の画像信号を示す信号電荷を、前記垂直ＣＣＤから、前記電荷蓄積領域の複数分を加算して、前記水平ＣＣＤに転送する工程と、
（ｃ）前記第１の画像信号を示す信号電荷のオーバフローを、前記第１の画像信号とは異なる第２の画像信号を示す信号電荷として検出する工程と
を有する水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法。
【請求項２】
前記ウエルの電位を前記第１の電位から徐々に変化させつつ、前記工程（ａ）〜（ｃ）を繰り返し、前記第１の画像信号を示す信号電荷が、前記第２の画像信号を示す信号電荷として検出されはじめるときの、前記第１の画像信号を示す信号電荷の量を求める請求項１に記載の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法。
【請求項３】
更に、前記固体撮像素子は、複数の前記電荷蓄積領域の各々の上方に、赤、緑、または青のカラーフィルタが選択的に配置されたカラーフィルタ層を備え、
前記水平ＣＣＤにおいては、前記カラーフィルタの一部に対応する前記第１の画像信号を示す信号電荷と、前記カラーフィルタの他の一部に対応する前記第２の画像信号を示す信号電荷とが、隣接する位置を保って転送され、
前記工程（ａ）において、前記カラーフィルタの一部の下方の前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、前記第１の画像信号を示す信号電荷として、前記垂直ＣＣＤに読み出し、かつ、前記カラーフィルタの他の一部の下方の前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷は、前記垂直ＣＣＤに読み出さない請求項１または２に記載の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法。
【請求項４】
前記カラーフィルタの一部が、緑のカラーフィルタであり、前記カラーフィルタの他の一部が赤及び青のカラーフィルタである請求項３に記載の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法。
【請求項５】
前記カラーフィルタの一部が、赤及び青のカラーフィルタであり、前記カラーフィルタの他の一部が緑のカラーフィルタである請求項３に記載の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法。
【請求項６】
更に、前記固体撮像素子が、複数の前記電荷蓄積領域の各々の上方に、カラーフィルタの第１の正方格子と、前記第１の正方格子間に配列されたカラーフィルタの第２の正方格子とを備えるカラーフィルタ層を有し、前記第１の正方格子の下方の前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷と、前記第２の正方格子の下方の前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷とを、選択的に前記垂直ＣＣＤに読み出すことのできる画素ずらし配列の固体撮像素子であり、
前記水平ＣＣＤにおいては、前記第１の画像信号を示す信号電荷と、前記第２の画像信号を示す信号電荷とが、隣接する位置を保って転送され、
前記工程（ａ）において、前記第１の正方格子の下方の前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を、前記第１の画像信号を示す信号電荷として、前記垂直ＣＣＤに読み出し、かつ、前記第２の正方格子の下方の前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷は、前記垂直ＣＣＤに読み出さず、
前記工程（ｃ）において、前記第１の正方格子の下方の前記電荷蓄積領域から読み出された信号電荷のオーバフローを、前記第２の正方格子の下方の前記電荷蓄積領域から読み出された信号電荷として検出する請求項１または２に記載の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法。
【請求項７】
前記第１の正方格子が、緑のカラーフィルタの正方格子であり、前記第２の正方格子が、赤及び青のカラーフィルタの正方格子である請求項６に記載の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法。
【請求項８】
前記第１の正方格子が、赤及び青のカラーフィルタの正方格子であり、前記第２の正方格子が、緑のカラーフィルタの正方格子である請求項６に記載の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法。
【請求項９】
前記第１導電型がｎ型である請求項１〜８のいずれか１項に記載の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ(charge coupled device: 電荷結合素子)型の固体撮像素子における水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ固体撮像素子の出力飽和レベルは、光量を変化させてＣＣＤ固体撮像素子に光を入射させたとき、入射光の強さとＣＣＤ固体撮像素子の出力レベルとの比例関係が崩れる点として検出される。通常、この方法で検出されるのは、フォトダイオード等感光素子に起因する飽和レベルである。
【０００３】
また、ＶＣＣＤ(verticalCCD: 垂直ＣＣＤ)の飽和レベルは、基板引き抜き電圧を下げてフォトダイオードの容量を確保してＶＣＣＤを飽和させ、オプティカルブラックへ信号が現れる（ブルーミング）点から検出することができる。
【０００４】
ＣＣＤ撮像素子の飽和特性を正確に然も簡単に測定できるＣＣＤ測定装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。この発明によれば、フィルタが配設されたＣＣＤ撮像素子で、光量が変化するパタンのチャートを撮影する。ＣＣＤ撮像素子の出力から２つの色信号を分離し、この色信号レベルを測定する。そして２つの色信号の比例関係を調べることにより、ＣＣＤ撮像素子のフォトダイオードの飽和レベルを得ることができる。
【０００５】
ＨＣＣＤ(horizontalCCD: 水平ＣＣＤ)の飽和レベル（容量）は、フォトダイオード等感光素子やＶＣＣＤの飽和レベルより大きく設計されており、通常のスチルモードの駆動において、飽和レベルが問題となることは少ない。しかし、動画モードなど、特殊な駆動で信号の加算を行う際には、ＨＣＣＤの飽和レベルが重要な特性となる。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２５３３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ＣＣＤ型の固体撮像素子における、水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の表面近傍に形成された、前記第１導電型とは逆導電型の第２導電型のウエルと、前記ウエルに行列状に形成され、入射光の光量に応じて生成された信号電荷を蓄積する複数の前記第１導電型の電荷蓄積領域と、複数の前記電荷蓄積領域の列に沿って形成され、前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷が読み出され、読み出された前記信号電荷を列方向に転送する垂直ＣＣＤと、前記垂直ＣＣＤの端部に結合され、前記垂直ＣＣＤから転送された前記信号電荷を行方向に転送する水平ＣＣＤと、前記水平ＣＣＤの出力端に接続された電荷検出回路とを有する固体撮像素子の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法であって、（ａ）前記ウエルの電位を第１の電位として、前記電荷蓄積領域に光を入射させ、蓄積された第１の画像信号を示す信号電荷を、前記垂直ＣＣＤに読み出す工程と、（ｂ）前記第１の画像信号を示す信号電荷を、前記垂直ＣＣＤから、前記電荷蓄積領域の複数分を加算して、前記水平ＣＣＤに転送する工程と、（ｃ）前記第１の画像信号を示す信号電荷のオーバフローを、前記第１の画像信号とは異なる第２の画像信号を示す信号電荷として検出する工程とを有する水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法が提供される。
【０００９】
この水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法によれば、水平ＣＣＤの飽和レベルを測定することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＣＣＤ型の固体撮像素子における、水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１（Ａ）〜（Ｄ）を用いて、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成について説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図であり、図１（Ｃ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域の一部の概略を示す断面図である。また、図１（Ｄ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の水平転送チャネル及び電荷検出部の一部の概略を示す断面図である。
【００１２】
図１（Ａ）を参照する。ＣＣＤ型固体撮像素子は、たとえば正方行列状に配置された複数の感光領域６２、複数の感光領域６２の列に沿って形成された複数の垂直転送チャネル（垂直ＣＣＤ）６４、受光領域（画素配列領域）６１外で各垂直転送チャネル６４の一端に形成されたラインメモリ６８、ラインメモリ６８を介して複数の垂直転送チャネル６４に電気的に結合された水平転送チャネル（水平ＣＣＤ）６６、及び出力ゲート６９を介して水平転送チャネル６６の端部に結合された電荷検出部６７を含んで構成される。なお、受光領域６１は感光領域６２及び垂直転送チャネル６４を含んで構成される。
【００１３】
感光領域６２は、感光素子、たとえばフォトダイオード(photo diode; PD)及びトランスファーゲート(transfergate; TG)を含んで構成される。フォトダイオードは、入射した光量に応じて信号電荷を発生、蓄積する。蓄積された信号電荷は、トランスファーゲートから垂直転送チャネル６４に読み出され、垂直転送チャネル６４内を、全体として水平転送チャネル６６に向かう方向（垂直方向、列方向）に転送される。垂直転送チャネル６４の端部まで転送された信号電荷は、ラインメモリ６８に一旦蓄えられた後、水平転送チャネル６６内に１行ごとに転送される。
【００１４】
水平転送チャネル６６に転送された信号電荷は、水平転送チャネル６６内を、全体として垂直方向と交差する方向、たとえば水平方向（垂直方向と直交する方向、行方向）に転送された後、出力ゲート６９を介して、電荷検出部６７に転送される。電荷検出部６７においては、水平転送チャネル６６から転送された信号電荷を基に、電荷−電圧変換、及び信号の増幅が行われる。増幅された画像信号は、外部に取り出される。
【００１５】
なお、感光領域６２の配列は、図１（Ａ）に示したような行方向及び列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列されるテトラゴナル配列の他、行方向及び列方向に１つおきにたとえば１／２ピッチずつ位置をずらして配列される画素ずらし配列(pixel interleaved array; PIA)がある。
【００１６】
図１（Ｂ）は、画素ずらし配列されたＣＣＤ型固体撮像素子の概略的な平面図である。画素ずらし配列とは、第１の正方行列的に配列された感光領域と、その格子間位置に第２の正方行列的に配列された感光領域とからなる感光領域の配列のことをいう。垂直転送チャネル６４は、感光領域６２の間を蛇行するように形成される。この場合も、信号電荷は垂直転送チャネル６４内を全体として水平転送チャネル６６に向かう方向（垂直方向）に転送される。なお、画素ずらし配列における感光領域６２は多くの場合、八角形状である。
【００１７】
図１（Ｃ）に、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域の一部の概略的な断面を示す。たとえばｎ型のシリコン基板である半導体基板８１に形成されたｐ型のウエル層８２に、ｎ型の不純物添加領域で構成される電荷蓄積領域７１（フォトダイオード）、及びその隣にｐ型のトランスファーゲート７２を介して、複数の電荷蓄積領域７１に近接したｎ型領域の垂直転送チャネル６４が形成されている。トランスファーゲート７２及び垂直転送チャネル６４上方には絶縁膜７４を介して、垂直転送電極７５が形成されている。隣り合う電荷蓄積領域７１間にはｐ型のチャネルストップ領域７６が形成されている。
【００１８】
チャネルストップ領域７６は、電荷蓄積領域７１、垂直転送チャネル６４等の電気的な分離を行うための領域である。絶縁膜７４は、たとえば半導体基板８１表面上に形成された、酸化膜、窒化膜、酸化膜の積層構造（ＯＮＯ膜）である。垂直転送電極７５は、たとえばポリシリコンで形成される第１層垂直転送電極及び第２層垂直転送電極を含む。これらはアモルファスシリコンで形成することも可能である。垂直転送電極７５は、垂直転送チャネル６４及びトランスファーゲート７２のポテンシャルを制御することによって、電荷蓄積領域７１に蓄積された電荷を垂直転送チャネル６４に読み出し、読み出された電荷を垂直転送チャネル６４の列方向に転送する。
【００１９】
垂直転送電極７５上には、たとえばポリシリコンの熱酸化により得られる絶縁性の酸化シリコン膜７７が形成されている。
【００２０】
垂直転送電極７５上方には、絶縁性の酸化シリコン膜７７、基板全面上にＣＶＤ等で形成された酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁層を介して、たとえばタングステン（Ｗ）により遮光膜７９が形成されている。遮光膜７９には、電荷蓄積領域７１の上方に開口部７９ａが形成されている。遮光膜７９は、受光領域６１に入射する光が電荷蓄積領域７１以外の領域に入射するのを防止する。遮光膜７９上には、窒化シリコン膜７８が形成されている。なお、窒化シリコン膜７８は必ずしも必要ではない。
【００２１】
遮光膜７９上方には、たとえばＢＰＳＧ(boro-phospho silicateglass)でつくられた平坦化層８３ａが形成され、その平坦な表面上に、たとえば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色のカラーフィルタ層８４が形成される。その上を平坦化するために、更に平坦化層８３ｂが形成される。平坦な表面を有する平坦化層８３ｂ上には、たとえばマイクロレンズ用のフォトレジストパタンを溶融、固化してマイクロレンズ８５が形成される。マイクロレンズ８５は、各電荷蓄積領域７１の上方に、たとえば微小な半球状の凸レンズが配列されたものである。マイクロレンズ８５は入射光を電荷蓄積領域７１に集光する。１つのマイクロレンズ８５で集束される光は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかの色のカラーフィルタ層８４を通して１つの電荷蓄積領域７１（フォトダイオード）に入射する。したがって、複数のフォトダイオードは、それぞれ上方に形成された赤（Ｒ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオード、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオード、青（Ｂ）のカラーフィルタ層８４を透過した光が入射するフォトダイオードの３種類のフォトダイオードを含む。
【００２２】
入射光量に応じて電荷蓄積領域７１に蓄積された信号電荷は、トランスファーゲート７２上方の垂直転送電極７５に印加される駆動信号（読み出し電圧）により垂直転送チャネル６４に読み出され、垂直転送電極７５へ印加される駆動信号（転送電圧）により、垂直転送チャネル６４内を転送される。
【００２３】
図１（Ｄ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の水平転送チャネル及び電荷検出部の一部の概略を示す断面図である。
【００２４】
ｎ型の水平転送チャネル６６は、たとえばｎ型半導体基板８１の表面部に形成されたｐ型のウエル層８２内に形成され、水平転送チャネル６６の上方には、絶縁膜７４を介して、第１層水平転送電極８７及び第２層水平転送電極８８が、水平転送チャネル６６の長さ方向に沿って交互に形成されている。
【００２５】
隣り合う第１層水平転送電極８７間の下方に形成された低濃度不純物領域（ｎ-型の領域）が逆流防止用ポテンシャルバリアを形成し、ｎ-型領域間のｎ型領域がポテンシャルウエルを形成している。ポテンシャルウエルと上流側（右側）のポテンシャルバリアが、１つの転送段を構成する。また、前述のように、水平転送チャネル６６の端部には、出力ゲート６９を介して、電荷検出部６７が形成されている。
【００２６】
第１層水平転送電極８７と第２層水平転送電極８８とは、転送段ごとに共通結線されている。信号電荷は、第１層水平転送電極８７及び第２層水平転送電極８８に印加される駆動信号（転送電圧）によって、水平転送チャネル６６内を水平方向に転送される。第１層水平転送電極８７、及び第２層水平転送電極８８は、それぞれたとえば多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンで形成される。
【００２７】
最終段の転送段における水平転送チャネル６６は、出力ゲート(output gate; OG)６９を介して、電荷検出部６７のフローティングディフージョン９０に接続されている。出力ゲート６９の上方には、絶縁膜７４を介して出力ゲート電極８９が形成されている。水平転送チャネル６６内を転送された信号電荷は、出力ゲート電極８９に印加される電圧ＶＯＧによって、電荷検出部６７（フローティングディフージョン９０）に転送される。
【００２８】
電荷検出部６７は、ｎ++型のフローティングディフージョン９０、ｎ型のリセットゲート(resetgate; RS)９１、ｎ++型のリセットドレイン(reset drain; RD)９３、リセットゲート９１上方に、絶縁膜７４を介して形成されたリセットゲート電極９２、及びフローティングディフージョン９０と電気的に接続されたゲートを有するＭＯＳトランジスタを含むアンプ９４を含む。出力ゲート電極８９、及びリセットゲート電極９２は、それぞれたとえば多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンで形成される。
【００２９】
信号電荷は、水平転送チャネル６６よりフローティングディフージョン９０に転送されて、フローティングディフージョン９０が電気的に分離された状態になったとき、転送された電荷とフローティングディフージョン９０の容量とにより、電荷−電圧変換される。変換された電圧信号はアンプ９４で増幅され、画像信号が出力される。
【００３０】
フローティングディフージョン９０に転送された信号電荷は電荷−電圧変換後、次画素の信号電荷が電荷検出部６７に送られる前に、リセットゲート９１を経てリセットドレイン９３に放出される。放出の際には、リセットゲート電極９２によりリセットゲート９１に一定の電圧ΦＲＧが印加される。
【００３１】
リセットゲート９１のポテンシャルは、ポテンシャルバリアの高さを画定し、アンプ９４の飽和量を決定する一因となる。
【００３２】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、受光領域におけるカラーフィルタ層の配置例を示す概略図である。
【００３３】
図２（Ａ）を参照する。図２（Ａ）には、図１（Ａ）に示すように、フォトダイオードが正方行列状に配列された固体撮像素子における、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色のカラーフィルタ層の配置の一例を概略的に示した。
【００３４】
緑（Ｇ）が市松状に配置され、また緑（Ｇ）と赤（Ｒ）が交互に繰り返される行と、緑（Ｇ）と青（Ｂ）が交互に繰り返される行とが、列方向に互い違いに現れるように３原色のカラーフィルタ層が配置されている（Bayer配列）。
【００３５】
図２（Ｂ）には、図１（Ｂ）に示すように、フォトダイオードが画素ずらし配列された固体撮像素子における、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色のカラーフィルタ層の配置の一例を概略的に示した。
【００３６】
第１の正方行列的に配列された感光領域の上方には、赤（Ｒ）と青（Ｂ）とが市松模様を形成するように、カラーフィルタ層が配置されている。その格子間位置に第２の正方行列的に配列された感光領域の上方には、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層が配置されている。図２（Ｂ）に示すカラーフィルタ層の配置は、図２（Ａ）に示したBayer配列を４５°傾けた配列である。
【００３７】
図２（Ａ）及び（Ｂ）に示す配列においては、赤（Ｒ）：緑（Ｇ）：青（Ｂ）の出現比率は１：２：１となる。３原色の配列において、緑（Ｇ）のカラーフィルタ層を透過した光が入射する画素が最も多いのは、人間の視感度のピークが緑領域にあり、一般画像を見る場合に、緑成分が人間の目の解像力に寄与することが多いためである。
【００３８】
図３は、フォトダイオード（電荷蓄積領域）近傍の電位（ポテンシャル）の概略を示すグラフ（電位図）である。図３を用いて、信号電荷の転送について説明する。
【００３９】
グラフの横軸は、固体撮像素子内の位置を示す。「ＶＣＣＤ」は垂直転送チャネル、「ＴＧ」はトランスファーゲート、「ＰＤ」はフォトダイオード（電荷蓄積領域）、「ＰＷ」はｐ型のウエル層、「Ｎ−ＳＵＢ」はｎ型はシリコン基板（半導体基板）を示す。グラフの縦軸は、電位を、下方を正の向きとして示す。電子のポテンシャルは、下方が低く、上方が高い。
【００４０】
ｎ型の領域（ＶＣＣＤ、ＰＤ、Ｎ−ＳＵＢ）は電子のポテンシャルが低く、ｐ型の領域（ＴＧ、ＰＷ）は高い。図示の電位状態では、入射光が光電変換され、ＰＤ（電荷蓄積領域）に蓄えられた信号電荷は、ＰＷ、ＴＧがバリアとなってＶＣＣＤに読み出されない。しかしＴＧに電圧を印加し、ＴＧの電位を上昇させることで電位バリアを除いて、ＰＤの信号電荷をＶＣＣＤに移動させることができる。
【００４１】
ＶＣＣＤには、第１層及び第２層垂直転送電極により、適切なタイミングで転送電圧が印加される。転送電圧の印加により、ＶＣＣＤ内においては電極単位で電位が制御され、電位井戸が電極２、３個分で移動する。この電位井戸によって、ＶＣＣＤに読み出された信号電荷は、ＨＣＣＤに向かって転送される。ＶＣＣＤを転送された信号電荷は、水平方向一行ごとにラインメモリに蓄積され、ＨＣＣＤに送られる。
【００４２】
以下、第１の実施例による水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法について説明する。第１の実施例は、画素ずらし構造の固体撮像素子の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法に関する。
【００４３】
図４は、フォトダイオード（電荷蓄積領域）近傍の電位（ポテンシャル）の概略を示すグラフ（電位図）であり、図３に対応するグラフ（電位図）である。グラフの縦軸及び横軸の示すところは、図３におけるそれらと同じである。
【００４４】
第１の実施例による水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法においては、まず、ＨＣＣＤ以外で飽和が律速しないように準備をする。
【００４５】
たとえば本図に示すように、基板引き抜き電圧（ＯＦＤ(over flow drain)電圧、ＶＯＦＤ）を下げて、ｐ型ウエルの電位を低下させ、バリアを高くすることによって、測定に用いる固体撮像素子のフォトダイオードの容量を十分に確保する。ＨＣＣＤの容量は大きく設計されているので、ＨＣＣＤの飽和を測定するにあたっては、多量の信号電荷をＨＣＣＤに送る必要があるからである。なお、比較のため、図３のグラフを、本図と異なる部分についてのみ点線で示した。
【００４６】
また、前述のように、電荷検出部のリセットゲートのオフ時のポテンシャルは、アンプの飽和量を決定する一因となるため、外部印加のリセットオフ電圧を下げ、リセットゲート（アンプとリセットドレインとの間）のポテンシャルバリアを高くしておく。これは、アンプでの飽和がＨＣＣＤの飽和より先に律速しないようにするためである。
【００４７】
これら２点の準備と、後述のＨＣＣＤへの多行読み出しにより、ＨＣＣＤを飽和させることができる。
【００４８】
このような準備をした上で、たとえば通常より強い光を受光領域に入射させることにより、フォトダイオード（電荷蓄積領域）の蓄積信号量を飽和に近い状態にする。そして、赤（Ｒ）と青（Ｂ）の画素のトランスファーゲートは閉じたままにし、緑（Ｇ）の画素からのみ蓄積電荷を読み出して、水平転送チャネルに転送する。
【００４９】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の実施例による水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法における信号電荷の移動を説明するための図である。
【００５０】
図５（Ａ）を参照する。前述のように、フォトダイオードからＶＣＣＤ（垂直転送チャネル６４）に読み出され、ＶＣＣＤを転送された信号電荷は、通常の駆動態様においては、水平方向一行ごとにラインメモリに蓄積され、ＨＣＣＤに送られる。
【００５１】
本図においては、ＨＣＣＤ（水平転送チャネル６６）に送られる行を、１行め、２行め、３行め、４行めと示し、１行めに存在する緑（Ｇ）の画素をＧ１、２行めに存在する赤（Ｒ）及び青（Ｂ）の画素を、それぞれＲ２、Ｂ２等と表示した。なお、本図におけるカラーフィルタ層の配列は、図２（Ｂ）に示した配列と同一である。
【００５２】
ＨＣＣＤ（水平転送チャネル６６）には、ウエル領域６６Ｗとバリア領域６６Ｂとが交互に形成されている。ＶＣＣＤ（垂直転送チャネル６４）からの信号電荷は、ＨＣＣＤ（水平転送チャネル６６）のウエル領域６６Ｗに転送される。
【００５３】
第１の実施例による水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法においては、水平方向多行分ごとに、たとえば１行めから４行めまでの４行分ごとに、信号電荷をＨＣＣＤ（水平転送チャネル６６）に転送する。信号電荷のＨＣＣＤ（水平転送チャネル６６）への転送時に、複数画素分の信号電荷が加算されることになる。
【００５４】
図５（Ｂ）を参照する。４行読み出しを行うため、緑（Ｇ）の画素からの信号電荷については、通常の１行読み出しの場合の２倍の信号電荷（Ｇ１＋Ｇ３）が、ＨＣＣＤ（水平転送チャネル６６）のウエル領域６６Ｗに転送される。測定に用いる固体撮像素子のフォトダイオードの容量は、基板引き抜き電圧ＶＯＦＤを下げることによって十分な大きさを確保されているため、信号電荷（Ｇ１＋Ｇ３）が転送されたウエル領域６６Ｗは飽和し、電荷の一部は隣接するウエル領域６６Ｗに溢れ出す。本図においては、溢れ出した電荷を信号電荷９８と示した。
【００５５】
なお、赤（Ｒ）及び青（Ｂ）の画素の信号電荷は、トランスファーゲートを閉じているため読み出されず、したがって、ＨＣＣＤ（水平転送チャネル６６）に転送されることはない。
【００５６】
図５（Ｃ）を参照する。水平転送電極への駆動信号（転送電圧）の印加により、信号電荷がＨＣＣＤ（水平転送チャネル６６）内を転送される。このとき赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各画素からの信号電荷を含んで構成されるパケットをそれぞれ水平転送パケット９７Ｒ、９７Ｇ、９７Ｂと表記すると、本来含まれる信号電荷がゼロであるはずの水平転送パケット９７Ｒ及び９７Ｂに、信号電荷（Ｇ１＋Ｇ３）が転送されたウエル領域６６Ｗから溢れ出した信号電荷９８が含まれることとなる。
【００５７】
なお、水平転送パケット９７Ｒ、９７Ｂは、隣り合う水平転送パケット９７Ｇ間に位置して、水平ＣＣＤ内を転送される。
【００５８】
第１の実施例においては、水平転送パケット９７Ｇから溢れた信号電荷が、Ｒ信号またはＢ信号として現れはじめる点を検出することによって、ＨＣＣＤの飽和を検出する。
【００５９】
具体的には、基板引き抜き電圧ＶＯＦＤを徐々に上昇させる。すると、フォトダイオードの容量が次第に小さくなるため、ウエル領域６６Ｗに転送される信号電荷（Ｇ１＋Ｇ３）の量が減少し、隣接するウエル領域６６Ｗに溢れ出さなくなる。この点、すなわち赤（Ｒ）または青（Ｂ）の信号量と基板引き抜き電圧ＶＯＦＤとの間の線形性が崩れはじめる点における信号レベル（電荷量）を求めることにより、ＨＣＣＤの飽和レベルを検出することができる。
【００６０】
なお、入射光量を変化させることによっても、同様の変化を検出できる。
【００６１】
このように、読み出しを間引いて、本来空である水平転送パケットと、電荷を含む水平転送パケットを形成し、空のパケットに電荷を溢れさせることでＨＣＣＤの飽和レベルを測定することができる。この飽和レベル測定方法によれば、飽和点を高精度で見つけることができる。
【００６２】
なお、第１の実施例において、緑（Ｇ）の画素のトランスファーゲートを閉じ、赤（Ｒ）及び青（Ｂ）の画素の信号電荷のみを読み出すことによっても、同様に、飽和点を高精度で見つけることができる。
【００６３】
次に、第２の実施例による水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法について説明する。第２の実施例は、テトラゴナル配列の固体撮像素子の水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法に関する。
【００６４】
テトラゴナル配列の固体撮像素子の場合も、第１の実施例と同様に、ＨＣＣＤにおいて信号電荷を含むパケットと含まないパケットの順序状態を形成し、含まないパケットに信号電荷を溢れさせることによってＨＣＣＤの飽和測定を行うことが可能である。
【００６５】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、画素情報を選択的に読み出す（間引く）ことのできる固体撮像素子を示す概略的な平面図である。本図に示す固体撮像素子は、公知（たとえば特開２００４−２８８７０６号公報に記載）の固体撮像素子に多少の変更を加えた固体撮像素子である。
【００６６】
図６（Ａ）を参照する。図６（Ａ）は、図１（Ａ）に対応する平面図である。図１（Ａ）に示した固体撮像素子とは、選択的に信号電荷を読み出すためのチャネルストップ領域８６を備える点において異なる。
【００６７】
図６（Ａ）に示す固体撮像素子のカラーフィルタ層は、図２（Ａ）に示すBayer配列に配列されている。本図においては、上方に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ層が形成されている感光領域を、それぞれ感光領域６２Ｒ、６２Ｇ、６２Ｂと表記した。
【００６８】
感光領域６２Ｇのチャネルストップ領域８６は、本図においてフォトダイオードの上側に形成される。また、感光領域６２Ｒ、６２Ｂのそれらは、フォトダイオードの下側に形成される。
【００６９】
チャネルストップ領域８６は、各画素から垂直転送チャネルへの信号電荷の転送を妨げ、一対の垂直転送電極が、第１層及び第２層垂直転送電極を含むとした場合、隣接する二対の垂直転送電極に含まれる４つの垂直転送電極による独立読み出しを可能にする。
【００７０】
図６（Ｂ）を参照する。図６（Ｂ）には、感光領域６２Ｇの近傍を、第１層及び第２層垂直転送電極７５ａ、７５ｂを含めて示した。
【００７１】
チャネルストップ領域８６は、第２層垂直転送電極７５ｂの下方に形成される。このため、感光領域６２Ｇについては、第１層垂直転送電極７５ａへの電圧の印加により、信号電荷が垂直転送チャネル６４に読み出され、第２層垂直転送電極７５ｂへの電圧の印加によっては、信号電荷は垂直転送チャネル６４には読み出されない。
【００７２】
図６（Ｃ）を参照する。図６（Ｃ）には、感光領域６２Ｒ（または感光領域６２Ｂ）の近傍を、第１層及び第２層垂直転送電極７５ａ、７５ｂを含めて示した。
【００７３】
チャネルストップ領域８６は、第１層垂直転送電極７５ａの下方に形成される。このため、感光領域６２Ｒ及び６２Ｂについては、第２層垂直転送電極７５ｂへの電圧の印加により、信号電荷が垂直転送チャネル６４に読み出され、第１層垂直転送電極７５ａへの電圧の印加によっては、信号電荷は垂直転送チャネル６４には読み出されない。
【００７４】
図６（Ａ）〜（Ｃ）に示した固体撮像素子は、第１層及び第２層垂直転送電極７５ａ、７５ｂの読み出し動作により、Bayer配列におけるＧＲ画素行のＧとＲの別個読み出し、及びＧＢ画素行のＧとＢの別個読み出しという選択的な画素読み出しが可能である。
【００７５】
図６（Ａ）〜（Ｃ）に示したテトラゴナル配列の固体撮像素子においては、第１層転送電極７５ａでのみ読み出し動作を行い、緑（Ｇ）の画素からのみ信号電荷を読み出して、水平転送チャネルに転送する。その後は、第１の実施例と同様にして、ＨＣＣＤの飽和レベルを検出することができる。
【００７６】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７７】
たとえば、第２の実施例は、ＨＣＣＤの飽和を測定したいデバイスが図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す構造を有している場合に限られない。画素情報を選択的に読み出す（間引く）ことのできる固体撮像素子としては、たとえば、特開２０００−１５２０９３号公報（[発明の詳細な説明]の[０００１]〜[００３９]）に記載の固体撮像素子であってもよい。また、特開２００１−２３０９７５号公報（[発明の詳細な説明]の[０００１]〜[０１２１]）に記載の固体撮像素子の駆動方法を利用して、ＨＣＣＤにおいて隣接画素の混合を行い、ＨＣＣＤにおいて信号電荷を含むパケットと含まないパケットの順序状態を形成してもよい。
【００７８】
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
画素ずらし配列、テトラゴナル配列を問わず、ＣＣＤ型固体撮像素子の水平ＣＣＤ飽和レベルの測定に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の構成を示す概略的な平面図であり、（Ｃ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の受光領域の一部の概略を示す断面図であり、（Ｄ）は、ＣＣＤ型固体撮像素子の水平転送チャネル及び電荷検出部の一部の概略を示す断面図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、受光領域におけるカラーフィルタ層の配置例を示す概略図である。
【図３】フォトダイオード（電荷蓄積領域）近傍の電位（ポテンシャル）の概略を示すグラフ（電位図）である。
【図４】フォトダイオード（電荷蓄積領域）近傍の電位（ポテンシャル）の概略を示すグラフ（電位図）であり、図３に対応するグラフ（電位図）である。
【図５】第１の実施例による水平ＣＣＤ飽和レベル測定方法における信号電荷の移動を説明するための図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、画素情報を選択的に読み出す（間引く）ことのできる固体撮像素子を示す概略的な平面図である。
【符号の説明】
【００８１】
６１  受光領域
６２、６２Ｒ、６２Ｇ、６２Ｂ  感光領域
６４  垂直転送チャネル
６６  水平転送チャネル
６６Ｂ  バリア領域
６６Ｗ  ウエル領域
６７  電荷検出部
６８  ラインメモリ
６９  出力ゲート
７１  電荷蓄積領域
７２  トランスファーゲート
７４  絶縁膜
７５  垂直転送電極
７５ａ  第１層垂直転送電極
７５ｂ  第２層垂直転送電極
７６  チャネルストップ領域
７７  シリコン酸化膜
７８  窒化シリコン膜
７９  遮光膜
７９ａ  開口部
８１  半導体基板
８２  ウエル層
８３ａ，ｂ  平坦化層
８４  カラーフィルタ層
８５  マイクロレンズ
８６  チャネルストップ領域
８７  第１層水平転送電極
８８  第２層水平転送電極
８９  出力ゲート電極
９０  フローティングディフージョン
９１  リセットゲート
９２  リセットゲート電極
９３  リセットドレイン
９４  アンプ
９７Ｒ、９７Ｇ、９７Ｂ  水平転送パケット
９８  信号電荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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